Вольт-амперная характеристика терморезисторов

Служат для непосредст­вен­ного преобразования температуры в параметр электрической цепи. Они бывают проволочные и полупроводниковые.

Проволочные резисторы характеризуются следующими зависимостями сопротивления от температуры:

платиновые в диапазоне от 0 °С до 650 °С

R_T = R ₀(1+ a_T D T – a_B D T ²), (12)

где a_T =3,97×10^–3 1/К и a_B =5,85×10^–7 1/К² – температурные коэффициенты соп­ротивле­ния;

медные в диапазоне от –50°С до 180°C

R_T = R ₀(1+ a_T D T),(13)

Сопротивление R ₀градуируют при 0°С. Для более точных измере­ний используют специальные таблицы для промышленных проволоч­ных резис­торов основных типов (приложение 2).

Для преобразования температуры в электрический сигнал с по­мощью терморезисторов используют измерительные схемы.

Схемауравновешенного моста приведена на рисунке 4, а. В одно из плеч моста включен термочувствительный элемент R_T (ТСМ, ТСП или терморезистор). Питание от источника напряжения GB подключено к одной из диагоналей моста, в другую включен измерительный прибор. Если мост уравновешен, то ток в измерительной диагонали равен нулю, что достигается при соотношении сопротивлений плеч R ₃= R_T (R ₂/ R ₁).

Рис. 4. Измерение сопротивления способом:

а – уравновешенного моста; б – неуравновешенного моста; в – с помощью логометра.

Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления R_T с помощью переменного резистора R ₃добиваются равно­весия моста. Таким образом, указатель шкалы связан с подвиж­ным контак­том переменного резистора R ₃, причем характер шкалы полностью соответствует температурной характеристике термо­чувствительного элемен­та. Измерительный прибор РА служит в ка­честве нуль-индикатора, а шкала переменного резистора отградуиро­вана в °С. К преимуществам уравновешен­ной схемы относится незави­симость точности измерения от колебаний на­пряжения источника, что важно при использовании батарей или акку­муляторов. Недостаток схемы – необходимость ручной настройки шкалы при измерении.

Схема неуравновешенного моста приведена на рисунке 4, 6. Равно­весие моста обеспечивается при настройке в одной точке темпе­ратурного диапазона измерения (обычно в его начале), а при разбалан­се моста опре­деляют ток в измерительной диагонали

I = U _ав(R ₁ R ₃ – R ₂ R_T)/ R ₂ R ₃(R ₁+ R_T). (14)

В этом случае шкала измерительного прибора РА отградуирована в °С, но она нелинейно связана с температурной характеристикой термо­чувствительного элемента, так как величина R_T входит в числитель и зна­менатель выражения (14). Шкала приблизительно линейна при небольших изменениях температуры и более сжата к концу температурного диапазона. Кроме того, точность измерения существенно зависит от напряжения U _ав. Чтобы обеспечить его постоянство, используется переменный резистор R ₁, который настраивают после переключения измерительной цепи на контрольный резистор R ₃. Сопротивление R _к соответствует значению сопротивления R_T при некоторой температуре, которая на шкале отмечена красным. При переключении на сопротивление R _к указатель РА должен устанавливаться на это метке. Таким образом, при использовании уравновешенной схемы измерения необходимо обеспечить стабильность напряжения моста.

Полупроводниковые терморезисторы обладают более высокими значениями сопротивления и чувствительности по сравнению с прово­лочными.

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов зависит от тем­пературы

R_T = R_To exp(B_T / T – B_T / T ₀), (15)

Температурный коэффициент сопротивления резисторов a_Т (1/К) за­висит от температуры и имеет отрицательный знак

a_Т = – B_T / T ². (16)

Вольт-амперная характеристика терморезисторов имеет точку макси­мума по напряжению, что позволяет использовать их также в схемах сигна­лизаторов температуры. Для расчетов удобно пользоваться безразмерной вольт-амперной характериситкой терморезисторов типов КМТ и ММТ (приложение 3). При нахождении характеристики конкретного термо­резис­тора должны быть известны значения напряжения и тока в точке максимума

I = I_M x, U=U_M y. (17)

Линейный участок при небольших токах используется для измерения температуры, точка максимума – в термореле, а участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением при большом нагреве рабочего тела – для измерения влажности, давления, скорости и т.д.

Нелинейность вольт-амперных характеристик как полупроводниковых, так и проволочных терморезисторов определяется повышением температуры рабочего тела за счет нагревания протекающим током

T_p = T +(U I)/ b, (18)

Коэффициент b зависит от конструкции термопреобразователя и условий окружающей среды.

Тепловая инерционность преобразователей объясняется наличием оп­ределенной массы и теплового контакта со средой, в результате чего температура рабочего тела меняется не мгновенно. Обычно измерение температуры рабочего тела происходит по экспоненциальной зависимости

D T_p =D T (1–e^{– t / t}), (19)

где D T – изменение температуры среды, К; t – постоянная времени, которая так же, как и коэффициент b, зависит от условий окружающей среды, с.

Тепловую инерционность и нагревание рабочего тела терморезисторов необходимо учитывать при выборе электрических и тепловых режимов работы.

В современной измерительной технике применяются также термо­преобразователи с полупроводниковыми термочувствительными элементами (диоды, транзисторы, тиристоры). Они характеризуются небольшими раз­мерами и тепловой инерционностью, широким диапазоном выбора пара­метров. Кроме того, при сохранении их функционального назначения в электронных схемах можно получать термопреобразователи с непос­редст­венным преобразованием температуры в частоту и амплитуду импульсов, в цифровой сигнал.

Контрольные вопросы:

1. Проволочные и полупроводниковые

2. Схема уравновешенного моста

3. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов

4. Вольт-амперная характеристика терморезисторов